Классификация металлов. Характеристика металлов и области применения

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

• Твердость – определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
• Усталость – количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
• Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
• Пластичность – это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
• Упругость – это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
• Стойкость к трещинам – под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
• Износостойкость – способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
• Вязкость – сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
• Жаростойкость – противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Что такое твердость?

Каждое из известных науке веществ обладает целым рядом определенных физических свойств и качеств. В этой статье речь пойдет о том, что такое твердость. Это способность того или иного материала сопротивляться внедрению в него другого, более прочного тела (например, режущего или колющего инструмента).

Твердость веществ чаще всего измеряется в специальных единицах – кгс/мм2 (килограмм-сила на квадратный миллиметр площади). Обозначается она латинскими буквами HB, HRC или HRB, в зависимости от выбранной шкалы.

Самым твердым минералом на Земле считается алмаз. Если же говорить о материалах искусственного происхождения, то самым прочным является фуллерит. Это молекулярный кристалл, который образуется при высоких температурах (около 300 градусов по Цельсию) и чрезвычайно высоком давлении (свыше 90 000 атмосфер). Согласно исследованиям ученых, фуллерит примерно в полтора раза тверже алмаза.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

• механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
• технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
• эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
• химические показывают взаимодействие с различными веществами;
• физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях – тепловом, электромагнитном, гравитационном.

По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».
Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне – механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности — основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.

Определение твердости: методы, способы и подходы

Как измеряют твердость физического тела? Для этого в образец внедряется так называемый индентор. Его роль может выполнять сверхпрочный металлический шарик, пирамида либо алмазный конус. После прямого контактного воздействия индентора на испытуемом образце остается отпечаток, по размеру которого и определяется твердость материала.

На практике применяют две группы методов измерения твердости:

1. Динамические.
2. Кинетические.

При этом прилагаемая нагрузка во время внедрения индентора в тело может быть осуществлена посредством царапания, вдавливания (чаще всего), разрезания или же отскока.

В наши дни существует несколько различных подходов по определению твердости:

• по Роквеллу;
• по Бринеллю;
• по Виккерсу;
• по Шору;
• по Моосу.

Соответственно, есть ряд разных шкал твердости материалов, прямой взаимосвязи между которыми нет. Тот или иной метод измерения выбирают исходя из целого ряда факторов (например, свойств конкретного материала, условий проведения эксперимента, используемой аппаратуры и пр.). Приборы, определяющие твердость металлов или минералов, принято называть твердомерами.

Черные металлы

Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:

1. Железные – кобальт, марганец, никель, железо. Применяются в качестве основы или добавок к сплавам.
2. Тугоплавкие – хром, вольфрам, молибден, титан. Все они имеют температуру плавления, превышающую уровень, при котором плавится железо. Используются как основа или добавка для получения легированных сталей.

3. Урановые – актиноиды и металлы, полученные в результате синтеза. Большое применение находят в атомной энергетике.
4. Редкоземельные – неодим, церий, лантан. Все металлы обладают родственными химическими свойствами, но совершенно разными физическими параметрами. Находят свое применение как присадки к сплавам.
5. Щелочноземельные – кальций, натрий, литий. В свободном виде практического применения не имеют.

Метод Роквелла

Величина твердости по Роквеллу определяется по глубине отпечатка алмазного конуса или металлического шарика, оставленного на поверхности тестируемого образца. Причем она является безразмерной и обозначается буквами HR. Слишком мягкие материалы могут иметь отрицательные значения твердости.

Так называемый твердомер Роквелла был изобретен в начале прошлого века американцами Хью Роквеллом и Стэнли Роквеллом. В следующем видеоролике вы можете увидеть, как он работает. Крайне важным фактором для этого метода является толщина тестируемого образца. Она не должна быть менее значения десятикратной глубины проникновения индентора в испытуемое тело.

В зависимости от типа индентора и прилагаемой нагрузки существуют три измерительные шкалы. Их обозначают тремя латинскими буквами: A, B и C. Значение твердости по Роквеллу имеет числовой вид. Например: 25,5 HRC (последняя буква обозначает шкалу, которая была использована в тесте).

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие – магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие – кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Таблица соотношений между числами твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору

Указанные значения твердости по Роквеллу, Виккерсу и Шору соответствуют значениям твердости по Бринеллю, определенным с помощью шарика диаметром 10 мм.

Отверстия под резьбу

Таблица сверл для отверстий под нарезание трубной цилиндрической резьбы.

Размеры гаек под ключ

Основные размеры под ключ для шестигранных головок болтов и шестигранных гаек.

Читать также: Аппарат для резки мяса и костей

G и M коды

Примеры, описание и расшифровка Ж и М кодов для создания управляющих программ на фрезерных и токарных станках с ЧПУ.

Типы резьб

Типы и характеристики метрической, трубной, упорной, трапецеидальной и круглой резьбы.

Масштабы чертежей

Стандартные масштабы изображений деталей на машиностроительных и строительных чертежах.

Режимы резания

Онлайн калькулятор для расчета режимов резания при точении.

Отверстия под резьбу

Таблица сверл и отверстий для нарезания метрической резьбы c крупным (основным) шагом.

Станки с ЧПУ

Классификация станков с ЧПУ, станки с ЧПУ по металлу для точения, фрезерования, сверления, расточки, нарезания резьбы, развёртывания, зенкерования.

Режимы резания

Онлайн калькулятор для расчета режимов резания при фрезеровании.

Форматы чертежей

Таблица размеров сторон основных и дополнительных форматов листов чертежей.

CAD/CAM/CAE системы

Системы автоматизированного проектирования САПР, 3D программы для проектирования, моделирования и создания 3d моделей.

Медь и сплавы с медью

В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.

Метод Бринелля

Этот метод был предложен шведом Юханом Августом Бринеллем начале 20-го века. На тот момент, это был самый точный способ определения твердости металлов. В качестве индентора используются стальные шарики различного диаметра (от 1,2 до 10 миллиметров). Диаметр шарика выбирается в зависимости от предполагаемой твердости металла.

Бринелль разделил металлы на несколько групп, объединив их по твердости. В группу с минимальной твердостью попали олова, свинец и их сплавы. В группу с самой высокой твердостью вошли титан, никель и стальные сплавы. Для металлов с минимальной твердостью используется шарик самого малого диаметра, для металлов высокой твердости используется шарик самого большого диаметра.

Измерения происходят по следующему алгоритму: проверяемый образец помещают на специальный стол, сверху в образец происходит вдавливание индентора с постепенно увеличивающейся нагрузкой. Это происходит в течение короткого промежутка времени от 2-х до 8-ми секунд. После достижения максимального уровня динамической нагрузки, нагрузка поддерживается в статическом состоянии, примерно в течение 10-ти секунд. После завершения процедуры, на проверяемом образце замеряют диаметр отпечатка.

Расчет твердости происходит по формуле, где учитываются приложенная нагрузка, диаметр индентора и диаметр отпечатка. Твердость указывается в формате кгс/мм2, формат отображения HBW.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Как упрочнить сталь

Химические способы

Добавление в состав стали легирующих элементов способно упрочнить сталь. Например, многие японские стали содержат до 8 % молибдена, и это существенно повышает не только их прочность, но и вязкость, что делает сплавы с ним очень ценными.

Еще один способ повысить прочность и износостойкость стали – это добавление в сплав марганца: он делает структуру более мелкозернистой и прочной. Кроме этого, такой сплав лучше поддается заточке – чем более мелкие зерна у его структуры, тем более тонкую режущую кромку можно будет вывести и даже довести ее до бритвенной остроты.

Антифрикционные сплавы

Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла – хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:

• баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
• алюминиевые сплавы;
• бронза;
• металлокерамические материалы;
• чугун.

Какой бывает твердость?

Различают три основных варианта твердости:

• Поверхностная (определяется соотношением величины нагрузки к площади поверхности отпечатка).
• Проекционная (отношение нагрузки к площади проекции отпечатка).
• Объемная (отношение нагрузки к объему отпечатка).

Помимо этого, твердость физических тел измеряется в четырех диапазонах:

1. Нанотвердость (величина нагрузки составляет менее 1 гс).
2. Микротвердость (1 – 200 гс).
3. Твердость при малых нагрузках (200 гс – 5 кгс).
4. Макротвердость (более 5 кгс).

Мягкие металлы

По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий — его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.

Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической — для производства удобрений и антисептиков.

Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.

Влияние углерода на структуру и свойства сталей

Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются .

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

C увеличением содержания углерода в стали изменяются и физические свойства: снижается плотность, повышаются удельное электросопротивление и коэрцитивная сила, понижаются теплопроводность и магнитная проницаемость.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

Твердые металлы

В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.

Вольфрам – это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам – основное вещество тяжелых сплавов.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D2-d2), где

Р – прикладываемая нагрузка, кгс; D – окружность шарика, мм; d – окружность отпечатка, мм.

Принцип испытания на твердость по Бриннелю

Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:

сплавы из железа — 30D²;

медь и ее сплавы — 10D²;

баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D².

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Принцип измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Принцип измерения твердости по Виккерсу

Математическая формула для расчета:

HV=0.189*P/d² МПа

HV=1,854*P/d² кгс/мм²

Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Принцип определения твердости по Шору

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Металлы в энергетике

Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.

Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:

• свинец — за большую устойчивость к коррозии;
• медь — за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
• алюминий — за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

 Применение зависимости «прочность-твердость» при обследовании стальных конструкций с помощью портативных твердомеров.

В настоящее время стальные конструкции широко применяются в качестве несущих элементов различных по назначению зданий и сооружений. Для поддержания нормального технического состояния имеется необходимость в контроле работы конструкций в течение всего срока эксплуатации. Особо важную роль данные о состоянии металла конструкций играют при реконструкции сооружений: они позволяют как сократить расход металла на усиление конструкции, так и правильно рассчитать нагрузки, которые обследуемая конструкция может воспринимать. Одним из основных параметров стальных конструкций, определяющим их работоспособность является прочность материала.

Традиционным методом определения прочности металла в конструкциях является отбор проб и их последующее испытание на растяжение по ГОСТ 1497-84 (ГОСТ 1497-84*. Металлы. Методы испытания на растяжение). Данный способ отличается тем, что полученное в результате значение прочности наиболее близко к истинному. Однако основными недостатками этого метода являются неизбежное ослабление элементов при отборе проб и высокая трудоемкость отбора, испытания и дальнейшего восстановления целостности элемента.

Связь между прочностью металла и его твердостью широко известна, а соотношение между данными параметрами для сталей указано в ГОСТ 22761-77 (ГОСТ 22761-77. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия). Однако в разных источниках приводятся различные аналитические зависимости. Например, в СТО 22-04-02 (СТО 22-04-02. Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств сталей в металлических конструкциях неразрушающим методом) приведена формула:

(1)

При этом зависимость рассматриваемых параметров, указанная в справочнике Морозова А.С., Ремнева В.В., Тонких Г.П. «Организация и проведение обследования технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений», имеет вид:

(2)

где К = 0,34 при НВ<175 и К = 0,36 при НВ>175.

Значения прочности, полученные по этим зависимостям, имеют существенные отличия и, в ряде случаев, значительно отличаются от истинной прочности испытываемого элемента. Например, в результате одного из проведенных авторами исследований на двутавре из стали Ст3сп, были получены значения твердости и прочности, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Как видно из данных, приведенных в таблице 1, определенные косвенным методом значения прочности имеют различия до 9% при разном способе пересчета и отличаются от истинного значения предела прочности на величину до 13%.

Известны исследования различных ученых, например, М.С.Дрозд «Определение механических свойств металла без разрушения», В.М.Хомич «Экспериментальное исследование взаимосвязи предела текучести и некоторых чисел твердости строительных сталей» и другие, направленные на уточнение и анализ зависимости «твердость-прочность». Однако большинство исследований основано на измерении твердости в лабораторных условиях по отобранным образцам, что также неизбежно приводит к ослаблению элемента конструкции.

Помимо вышеуказанного, в литературе отсутствуют методические указания по применению методов неразрушающего контроля твердости в полевых условиях (на строительной площадке или в эксплуатируемом здании). Нет рекомендаций по учету влияния на результат измерения факторов, возникающих при проведении измерений. К данным факторам в первом приближении относятся:

1.Расположение участка измерения;

2.Толщина испытываемого элемента;

3.Качество обработки испытываемой поверхности;

4.Напряженно-деформированное состояние элемента;

5.Наличие и величина остаточных напряжений;

6.Марка стали.

Имеется большой спектр приборов неразрушающего контроля твердости, позволяющих выполнять измерения в полевых условиях. К таким портативным твердомерам, в частности, относятся: ТЕМП-4, ТКМ-459, МЕТ-УД, Equotip и другие. Основные методы, применяемые в них – это ультразвуковой и динамический. В динамическом методе определяется косвенная характеристика – отношение скорости при ударе и отскоке индентора. В ультразвуковом методе измеряемым параметром является частота колебаний индентора, при его внедрении в образец на определенную глубину под действием постоянного усилия. Значения косвенных характеристик в дальнейшем переводятся в число твердости.

Цель настоящей работы – изучение влияния различных технологических факторов на погрешность измерения и достоверность определения прочности стали по измерению твердости.

Для достижения поставленной цели произведены лабораторные экспериментальные исследования на образцах из прокатных профилей различного поперечного сечения (двутавр, швеллер, уголок), выполненных из различных марок стали.

Для определения твердости металла в ходе исследований использованы портативные твердомеры ТЭМП-4 (динамический метод) и МЕТ-УД (динамический и ультразвуковой методы).

На первом этапе исследовалось влияние на результаты измерений вида обработки поверхности исследуемого объекта. Обработка поверхности при применении портативных твердомеров является обязательным условием, а от качества ее выполнения во многом будет зависеть точность результата измерения. Для реализации эксперимента, поверхность образцов была обработана тремя различными способами:

1. Зачистка от окрасочного слоя;

2. Зачистка от слоя окалины;

3. Шлифовка поверхности шлифовальными кругами различной зернистости.

Последний вид обработки исследовался более детально для изучения влияния зернистости шлифовальных кругов и шероховатости обработанной поверхности на результаты измерений.

На рис. 1 представлены графики результатов измерений твердости динамическим методом при различных видах обработки. Наглядно представлен разброс значений, характеризующий измерения при различных условиях.

Рис.1. График распределения значений твердости при различной обработке поверхности.

В результате исследований показано, что вид подготовки поверхности оказывает существенное влияние на погрешность измерений твердости ( рис.1). Коэффициент вариации результатов измерений в первых двух испытаниях составил 18,4% и 26,3% соответственно. Выявленный разброс данных не допустим для выполнения исследований. Шлифовка поверхности перед выполнением измерений является обязательным условием для применения портативных твердомеров.

Выявлено, что зернистость шлифовальных кругов (от Z-40 до Z-120) практически не оказывает влияния на дисперсию значений. Коэффициент вариации при обработке шлифованием составляет 3,4…5,0%. При этом шероховатость обработанной поверхности, по данным профилометрического анализа, составила 0,36…1,84 мкм, что является допустимым для применения как динамического, так и ультразвукового методов.

На втором этапе исследована погрешность измерений при различном расположении измеряемого участка по сечению элемента и применении различных методов исследования (рис. 2).

В результате испытания динамическим методом было выявлено, что результат измерений в упругой зоне профиля (край полки, середина стенки) в три-четыре раза ниже, чем в неупругой (зоны сопряжения стенки с полкой). В стенке значения выше вблизи полки, однако, в остальной части они примерно постоянны. В результате испытаний ультразвуковым методом выявлено, что значения твердости изменяются по всему сечению профиля не существенно.

Рис.2. Распределение результатов измерения твердости по сечению швеллера различными методами и приборами, МПа.

Разброс значений, полученных динамическим методом, вызван упругостью зоны измерений. Для снижения погрешности необходимо выполнять измерения в зоне, где упругость сечения элемента не оказывает заметного влияния – в зоне стыка полки и стенки. Кроме того, показано, что применение ультразвукового метода измерения не сопровождается высоким значением погрешности, вызванной различным расположением участка измерения.

Третьим этапом исследована погрешность измерения, вызванная остаточными напряжениями в околошовной зоне сварного шва. Для этого исследования на двутавровом образце был смоделирован валик сварного шва шириной 2см. Испытания проводились на расстоянии 0,5см от края шва и далее с шагом в 1см.

Рис.3. Распределение результатов измерения твердости в вблизи сварного шва, МПа.

Как показано на рисунке 3, при приближении к сварному шву значения измеренной твердости заметно увеличивается. Таким образом, можно сделать вывод, что участок измерения твердости необходимо располагать вне зоны влияния сварного шва, на удалении примерно три ширины шва. Однако данные исследования требуют продолжения и более подробной проработки при разных толщинах образцов и параметрах сварного шва.

По результатам выполненных исследований сформулированы следующие выводы:

1.Выполнение обработки поверхности образца шлифовкой является обязательным условием для проведения измерений. При этом зернистость шлифовальных кругов в определенном диапазоне не оказывает существенного влияния на погрешность измерений.

2.Меньшей погрешностью характеризуются измерения, выполняемые в наиболее жесткой части сечения профилей — в зоне стыка полки и стенки. Влияние данного фактора при использовании ультразвукового метода практически отсутствует.

3.Значение прочности стали наиболее близкое к истинной величине (по результатам испытаний) получено по пересчету твердости по таблице ГОСТ (ГОСТ 22761-77. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия).

4.Близость участка измерения к сварному шву оказывает значительное влияние на погрешность измерений. Повышенная твердость в зоне сварного шва сохраняется в зоне приблизительно равной трем ширинам шва.

5.В последующих этапах исследования планируется изучить влияние толщины элементов, температуры и марки стали на получаемые значения твердости. Конечной целью работы является разработка набора коэффициентов и рекомендаций по определению прочности путем измерения твердости для различных материалов.

А.В. Улыбин, начальник отдела

«Обследование зданий и сооружений» ПНИПКУ «Венчур», к.т.н.

П.А.Рогозин, инженер

Категории черных вторичных металлов

К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.

Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды – это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.

Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.

Изменение структуры стали с увеличением содержания углерода

“Пройдемся” вдоль оси содержания углерода на участке диаграммы состояния системы железо-углерод, которая соответствует сталям (рисунок 1): от 0 до 2 % углерода.

Рисунок 1 – Двойная диаграмма состояния железо-углерод

Феррит

Структура стали, содержащей от 0 до 0,02 % углерода, включает феррит и третичный цементит (рисунок 2).

Рисунок 2 – Микроструктура стали: феррит с третичным цементитом по граница зерен

Феррит и перлит

Дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к появлению нового структурного компонента – эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Сначала перлит появляется как отдельный включения между ферритными зернами, а затем, при содержании углерода 0,8 %, занимает весь объем. Перлит представляет собой двухфазную смесь, которая обычно имеет пластинчатую структуру (рисунок 3).

Рисунок 3 – Микроструктура перлита в стали

Перлит и цементит

Когда содержание углерода поднимается выше 0,8 %, наряду с перлитом образуется вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется в форме игл (рисунок 4).

Рисунок 4 – Микроструктура стали: вторичный цементит (иглы) и перлит

Количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода. При содержании углерода 2 % цементит занимает 18 % поля зрения микроскопа. При содержании углерода более 2 % формируется эвтектическая смесь.